激光加工工艺在航空航天领域应用航空航天特殊材料加工技术

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1、航空航天特殊材料加工技术激光加工工艺在航空航天领域的应用摘要：激光制造技术在国防和航空航天领域的产业化应用前景远大，具有效率高、能耗低、流程短、性能好、数字化、智能化的特点，本文主要介绍了激光加工的组成、工作原理及各激光加工工艺技术在航空领域中的应用。针对现状，我国将继续发挥激光制造技术的优势，改变我国航空航天领域的关键器件和技术主要依赖进口的现状，最终形成我国新一代激光制造产业链。 关键词：激光加工、航空航天、打孔、切割、熔覆、焊接、打标、LENS1.激 光 加 工 的 组 成 及 工 作 原 理激 光 加 工 有 四 部 分 组 成 ， 分 别 是 激 光 器 、 电 源 、 光 学 系

2、统 、 机 械 系 统 。 工 作 原 理 ：激 光 加 工 利 用 高 功 率 密 度 的 激 光 束 照 射 工 件 ,使 材 料 熔 化 气 化 而 进 行 穿孔 、 切 割 和 焊 接 等 的 特 种 加 工 。 早 期 的 激 光 加 工 由 于 功 率 较 小 ， 大 多 用 于 打小 孔 和 微 型 焊 接 。 到 20世 纪 70年 代 ， 随 着 大 功 率 二 氧 化 碳 激 光 器 、 高 重 复频 率 钇 铝 石 榴 石 激 光 器 的 出 现 ， 以 及 对 激 光 加 工 机 理 和 工 艺 的 深 入 研 究 ， 激光 加 工 技 术 有 了 很 大 进 展 ，

3、使 用 范 围 随 之 扩 大 。 数 千 瓦 的 激 光 加 工 机 已 用 于各 种 材 料 的 高 速 切 割 、 深 熔 焊 接 和 材 料 热 处 理 等 方 面 。 各 种 专 用 的 激 光 加 工设 备 竞 相 出 现 ， 并 与 光 电 跟 踪 、 计 算 机 数 字 控 制 、 工 业 机 器 人 等 技 术 相 结 合 ，大 大 提 高 了 激 光 加 工 机 的 自 动 化 水 平 和 使 用 功 能 。 图 1 气 体 及 固 体 激 光 器 加 工 原 理从 激 光 器 输 出 的 高 强 度 激 光 经 过 透 镜 聚 焦 到 工 件 上 ， 其 焦 点 处 的

4、功 率 密度 高 达 10( 10(瓦 /厘 米 (， 温 度 高 达 1万 摄 氏 度 以 上 ， 任 何 材 料 都 会 瞬 时 熔化 、 气 化 。 激 光 加 工 就 是 利 用 这 种 光 能 的 热 效 应 对 材 料 进 行 焊 接 、 打 孔 和 切割 等 加 工 的 。 通 常 用 于 加 工 的 激 光 器 主 要 是 固 体 激 光 器 和 气 体 激 光 器 。激 光 加 工 工 艺 包 括 切 割 、 焊 接 、 表 面 处 理 、 打 孔 、 打 标 、 划 线 、 微 调 等各 种 加 工 工 艺 。2 定义21 激光切割技术激光切割是用聚焦镜把二氧化碳气体、激光

5、束聚焦，使材料熔化，用激光束的压缩气体吹走被熔化的材料，使激光束和材料沿着固定轨道进行运动，从而形成固定形状的切缝。目前激光切割新技术已成为工业切割板材的一种现代化先进高新加工方法，激光切割技术的采用克服了操作时间长、切割缝隙大、变形大、切割制品粗糙、有污染、不安全，不卫生的弱势。22 激光焊接技术激光焊接是用激光器中的激光把机械设备配件焊接成为一体。激光焊接主要优点是能焊接多种金属，焊接部位狭小，深腔焊接不变形，焊池周边无凹陷现象，能补焊极硬钢板材料，焊接不击穿薄板材。料焊接工艺高超焊缝整齐美观。激光焊接新技术在机械生产加工中广泛应用，主要有以下两大类：一是金刚石锯片激光焊接，二是激光焊接应

6、用于钢铁工业，焊接钢板，拼焊汽车板和各种壳体类零件，从而进一步推动了我国机械生产加工企业的快速发展。图2 激光切割 图 3 激光焊接金刚石2.3激光打标技术激光打标是在机械设备或产品上用激光器打上特殊标记和符号。此种新技术在激光技术应用中占最重要位置之一，应用及其广泛，主要应用干电子工业，汽车工业、工具、量具、航空、航天、仪器、仪表，包装等行业机械加工中。标记对象是金属非金属材料等，如不锈钢、铝合金、有机玻璃、塑料、陶瓷、合成材料、木材、橡胶、皮革制品纸制品、印刷电路板、生活装饰品等。24 激光打孔技术激光打孔是把多种机械配件用激光加工出各种不同类型的孔，主要应用于金属材料和非金属材料，主要用

7、于硬度高材料，特别还适用于布匹和纸张等较软材料打孔，已装配好成型机械不用拆卸就可直接打孔，尤其适用于汽车、航空等行业的动平衡。激光打孔技术在机械工业各行业中广泛应用，优点多，打孔变形小。精密度高，打孔深度可控，中心孔定位准确。图 4 烟酒激光打标机 图 5 激光打孔机25 激光淬火技术激光淬火是用高能激光在工件表面快速扫描，在工件表面极薄的光斑大小的小区域内快速吸收能量瞬间使其急剧达到高温，又瞬间完成低温淬火的高新技术。具有：高速加热和高速自冷；激光淬火制品比常规淬火硬度高出520 ，可获得极细硬币七组织，加热速度快、热影响区小，淬火应力小；可使被加工制品局部硬化；工艺周期短，生产效率高、自动

8、化程度高、易被计算机控制；无需冷却介质、无污染等优点。26 激光熔覆技术激光熔覆是用激光新技术修复旧设备，是再制造、再利用工程。此项新技术是以陈旧老化设备为对象，进行二次加工，恢复和提高设备利用率，从而达到再次创造价值、节约资源、保护环境、实现可持续发展的一门新技术工程，主要应用于电力、冶金、钢铁、机械工业等领域，2.7激光快速成形激光快速成形（Laser Rapid Prototyping：LRP ）是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。近期发展的LPR主要有：立体光造型(SLA) 技术；选择性激光烧结 (SLS) 技术；激光熔覆成形（LCF

9、）技术；激光近形（LENS）技术；激光薄片叠层制造(LOM) 技术；激光诱发热应力成形（LF）技术及三维印刷技术等。图6 SLS成品 图7 SLA成品3. 激光加工技术航空航天工业中的应用31 激光切割图 8 激光切割成品激光切割技术是将能量聚焦到微小的空间，可获得1051015W/cm2极高的辐照功率密度，利用这一高密度的能量进行非接触、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，几乎可以对任何材料实现激光切割。激光切割技术是一种摆脱传统的机械切割、热处理切割之类的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。在航空航天工业中用激光切割的材料

10、有：钦合金，镍合金、铬合金，铝合金、不锈钢、钦酸钥、塑料和复合材料等。在航天航空设备的制造中，外壳采用特殊金属材料制成，强度高、硬度高、耐高温，普通的切割手段很难完成材料的加工，激光切割是一种高效的加工手段，可用激光切割加工飞机蒙皮、蜂窝结构，框架、翼彬，尾翼避板、直升机主旋翼、发动机机匣和火焰筒等。激光切割一般用连续输出的激光器，也有用高重频二氧化碳脉冲激光器。激光切割的深宽比高，对于非金属，深宽比可达100以上，金属可达20左右。激光切割速度高，切割钦合金薄板为机械方法的30倍，切割钢板为机械方法的20倍。激光切割的质量好。与氧乙炔及等离子的切割方法相比，切割碳钢质量最好。激光切割的热影响

11、区仅为氧一乙炔。激光切割技术在航空领域中主要用于航空发动机、涡轮叶片的激光打孔，航空发动机的激光切割等方面。 32 激光焊接图 9 激光焊接样品在航空航天工业中，有很多零件是用电子束焊接，由于激光焊接不需要在真空中进行，目前正在用激光焊接代替电子束焊接。长久以来，飞机结构件之间的连接一直采用落后的铆接工艺，主要原因是飞机结构采用的铝合金材料是热处理强化铝合金(即高强铝合金) ，一经熔焊后，热处理强化效果就会丧失，而且晶间裂纹难以避免。而激光焊接技术的采用，克服了这样的难题，还大大地简化了飞机机身的制造工艺，使机身重量减轻18，成本下降214 243 ，激光焊接技术是飞机制造业的一次技术大革命。

12、在20世纪70 年代之前，由于没有高功率连续激光器件，研究的重点是脉冲激光焊接，应用于小型精密零件的点焊，或者由单个焊点搭接而成的缝焊。19711972年，随着数千瓦CO2 激光焊接试验的报道，情况发生了根本性的变化。几毫米厚钢板能够一次性完全焊透，所得焊缝与电子束焊接相似，显示出了高功率激光焊接的巨大潜力。 随着激光制造技术的发展，桥梁、船舶等结构都由传统的铆接工艺发展到采用激光焊接技术，但先进的激光焊接技术难以在飞机制造中开展广泛的应用。长久以来，飞机结构件之间的连接一直采用落后的铆接工艺，主要原因是飞机结构采用的铝合金材料是热处理强化铝合金（即高强铝合金），一经熔焊后，热处理强化效果就会

13、丧失，而且晶间裂纹难以避免。因此，普通氩弧焊等熔焊方法在飞机制造中的应用成为禁区。另一方面，在80年代初，铝及其合金的激光加工十分困难，被认为是不可能的。主要是由于铝合金存在对10.6mm波长激光的高反射和自身的高导热性。在当时，激光加工主要使用波长为10.6mm的CO2激光器，而铝对CO2 激光的反射率高达 97%，通常作为反射镜使用。但是，激光加工的优越性又极大地吸引着从事激光材料加工的科研工作者。他们为此付出了大量的时间和精力来研究铝合金激光加工的可能性。 目前，高强铝合金激光焊接成果已经成功应用于欧洲空中客车公司飞机制造中，其铝合金内隔板均采用激光加工，实现了激光焊接取代传统铆接工艺。

14、激光焊接技术的采用，大大地简化了飞机机身的制造工艺，使机身重量减轻18%，成本下降 21.4%24.3%，被认为是飞机制造业的一次技术大革命。空客A380的制造就采用了激光焊接技术，极大地减轻了飞机自重，增加了载客量。德国政府2006 年公布的科技发展计划中将激光焊接技术列为航空工业两大尖端发展技术之一。 33 激光打孔激光打孔技术在航空航天工业中适用于仪表宝石轴承、气冷式涡轮叶片、喷嘴和燃烧室上打孔等。目前，在加工航空发动机零件方面，激光打孔仅限于加工发动机静止零件的冷却孔，因为孔表面存在微观裂纹。对激光束、电子束、电化学、电火花打孔、机械钻孔和冲孔进行试验研究，经综合分析认为。激光打孔具有

15、效果好、通用性强、效率高和成本低等优点。34 激光熔覆技术激光熔覆是一种重要的材料表面改性技术，亦被称为激光镀覆或激光表面硬化。它是以高能密度的激光为热源在基材表面熔覆一层熔覆材料，使之与基材实现冶金结合，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的表面改性方法。近年来激光熔覆修复技术逐渐发展成为一种新型的先进制造技术。该技术集快速原型制造技术及激光熔覆表面改性技术于一体，可实现三维金属零件的修复而无需工模具。 激光熔覆的第一项工业应用是Rolls Royce 公司 1981年对RB211涡轮发动机壳体结合部件进行硬面熔覆。表1所示为激光熔覆工业应用实例。 表1 激光熔覆工业应用实例

16、熔覆部件 熔覆合金粉末或方式涡轮机叶片壳体结合部件 钴基合金送粉熔覆涡轮机叶片 PWA694, Nimonic预置粉末海洋钻井和生产部件 StelliteColmonoy 合金和碳化物等阀体部件 送粉熔覆阀杆，阀座 铸铁/Cr, C, Co, Ni, Mo预置粉末涡轮机叶片Stellite/Colmonoy 合金预置粉末和重力送粉熔覆在航空领域，航空发动机的备件价格很高，因而在很多情况下维修零件是比较划算的。但是修复后零件的质量必须满足安全要求。例如，飞机螺旋桨叶片表面上出现损伤时，必须通过一些表面处理技术进行修复。除了考虑螺旋桨叶片所要求的高强度、高耐疲劳性，还必须考虑表面修复后的耐腐蚀性。选择一种合适的表面处理技术对螺旋桨叶片进行修复，对节省装备维护费用，提高装备使用寿命具有很重要的意义。激光熔覆技